Tìm hiểu phương pháp thủy vân số thuận nghịch và xây dựng ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM CƠNG HỊA TÌM HIỂU PHƢƠNG PHÁP THỦY VÂN SỐ THUẬN NGHỊCH VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ PHẠM CƠNG HỊA TÌM HIỂU PHƢƠNG PHÁP THỦY VÂN SỐ THUẬN NGHỊCH VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG Ngành: Chuyên ngành: Mã số: Công nghệ thông tin Hệ thống thơng tin 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGÔ QUỐC TẠO Hà Nội - 2012 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THỦY VÂN SỐ 10 1.1 Kỹ thuật giấu tin phƣơng tiện số 10 1.1.1 Khái niệm giấu tin lý thuyết sở 10 1.1.2 Phân loại kỹ thuật giấu tin 11 1.1.3 Mơ hình kỹ thuật giấu tin 11 1.1.4 Giấu tin liệu đa phƣơng tiện 12 1.1.4.1 Giấu tin ảnh số 12 1.1.4.2 Giấu tin Audio 14 1.1.4.3 Giấu tin Video 15 1.1.4.4 Giấu tin văn 15 1.2 Kỹ thuật thủy vân số 16 1.2.1 Lịch sử phƣơng pháp thủy vân số 16 1.2.2 Mơ hình thủy vân số 17 1.2.3 Các tính chất quan trọng kỹ thuật thủy vân số 18 1.2.4 Hệ thống thủy vân số 19 1.2.4.1 Quá trình nhúng thủy vân 19 1.2.4.2 Q trình trích thủy vân 20 1.2.5 Các hƣớng ứng dụng thủy vân 20 1.3 Phân biệt giấu tin thủy vân 22 CHƢƠNG 2: THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH SỐ 23 2.1 Thủy vân số thuận nghịch 23 2.2 Thủy vân số miền không gian 24 2.2.1 Cơ sở lý thuyết 24 2.2.2 Một số thuật toán 25 2.2.2.1 Thuật toán 1(SW) 25 2.2.2.2 Thuật toán (Wu-Lee) 27 2.2.2.3 Thuật toán (PCT) 30 2.2.2.4 Thuật toán (LSB) 33 2.3 Thủy vân số miền tần số 35 2.3.1 Biến đổi cosin rời rạc (DCT) 35 2.3.2 Kỹ thuật thủy vân miền DCT 37 2.3.2.1 Thuật toán DCT 38 2.3.2.2 Thuật toán DCT 39 2.3.2.3 Thuật toán DCT 41 2.4 Thủy vân số miền Wavelet 43 2.4.1 Phép biến đổi DWT 43 2.4.2 Các thuật toán thủy vân miền DWT 45 2.4.2.1 Thuật toán DWT-1 45 2.4.2.2 Thuật toán DWT-2 46 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 48 3.1 Phát biểu toán 48 3.2 Phân tích thiết kế hệ thống 48 3.2.1 Mô tả chức hệ thống 48 3.2.2 Ứng dụng thử nghiệm 52 3.2.3 Đánh giá độ phức tạp công ảnh 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ “Tìm hiểu phương pháp thủy vân số thuận nghịch xây dựng ứng dụng” cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, đƣợc thực sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức kinh điển, nghiên cứu khảo sát tình hình thực tiễn dƣới hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Ngô Quốc Tạo Một lần nữa, xin khẳng định trung thực lời cam kết xin chịu hoàn toàn trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, ngày 15 tháng 04 năm 2012 Phạm Cơng Hịa DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT CP Ý NGHĨA Bảo vệ quyền tác giả (CopyRight Protection) CWT Biến đổi wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform) DCT Biến đổi Cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform) iDCT Biến đổi Cosine rời rạc nghịch (Discrete Cosine Transform) DFT Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform) DWT Biến đổi sóng nhỏ rời rạc (Discrete Wavelet Transform) iDWT Biến đổi sóng nhỏ rời rạc ngƣợc (Inverse Discrete Wavelet Transform) JPEG Chuẩn nén ảnh ủy ban JPEG quố tế (Joint Photographic Experts Group) LSB Bít quan trọng (Least Significant Bit) PCT Thuật toán thủy vân đặt theo tên tác giả Hsiang-Kuang Pan, Yu-YuanChen Yu-chee Tseng SW Thuật toán thủy vân đơn giản (Simple Watermarking) Wu-Lee Thuật toán thủy vân đặt theo tên tác giả M.Y.Wu J.H.Lee DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng: Bảng 1.1: Ví dụ bảng hệ số DCT 35 Bảng 1.2: Minh họa thuật toán DCT3 41 Danh mục hình vẽ: Hình 1.1: Quá trình chèn (giấu) tin tách tin 11 Hình 1.2: Sơ đồ phân loại kỹ thuật giấu tin A.P Pentitcolas 1999 theo hai hƣớng nghiên cứu giấu tin mật thủy vân số 15 Hình 1.3: Ví dụ thủy vân ẩn thủy vân 16 Hình 1.4: Mơ hình thủy vân Sviatoslav Voloshynovskiy cộng đề xuất 16 Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống thủy vân số 19 Hình 2.1: Mơ hình thủy vân thuận nghịch 22 Hình 2.2: Minh họa thuật toán 1(SW): nhúng bit vào khối ảnh B 25 Hình 2.3: Minh họa chọn điểm ảnh giấu tin vào khối ảnh màu 26 Hình 2.4: Minh họa thuật tốn Wu-Le: nhúng đoạn bit 011 27 Hình 2.5 Minh họa thuật toán (TCP) 31 Hình 2.6: Minh họa thuật tốn (LSB) 33 Hình 2.7 Phân chia miền tần số thấp giữa, cao phép biến đổi DCT 35 Hình 2.8 Quy trình nhúng tách thủy vân theo kỹ thủy vân miền DCT 36 Hình 2.9 Sự khác sóng (a) sóng nhỏ (b) 42 Hình 3.1 Sơ đồ chức hệ thống 48 Hình 3.2: Giao diện mở ảnh gốc 51 Hình 3.3: Giao diện ghi lại ảnh thủy vân 52 Hình 3.4: Giao diện mở ảnh thủy vân 53 Hình 3.5: Giao diện ghi ảnh trích thủy vân 54 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong kỷ nguyên số, thông tin số đƣợc sử dụng rộng rãi môi trƣờng mở: tài nguyên đƣợc phân phối cho nhiều ngƣời sử dụng, nhu cầu đƣợc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ sản phẩm số trở thành vấn đề quan trọng đƣợc nhiều sở nghiên cứu quan tâm Thuỷ vấn số hay nhúng thuỷ vân phƣơng tiện công nghệ đƣợc đánh giá mang lại nhiều hứa hẹn ứng dụng bảo vệ quyền, phát xuyên tạc, điều khiển truy cập liệu đa phƣơng tiện Bằng cách sử dụng thủy vân, liệu số bảo vệ khỏi chép bất hợp pháp Tạo thuỷ vân phƣơng pháp nhúng lƣợng thơng tin vào liệu đa phƣơng tiện cần đƣợc bảo vệ sở hữu mà không để lại ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm Thuỷ vân phải tồn bền vững với sản phẩm số loại bỏ cơng có chủ đích hay khơng chủ đích trừ phá hủy sản phẩm Thủy vân gắn kết với liệu số Bằng trực quan khó phát đƣợc thủy vân liệu chứa nhƣng ta tách đƣợc chúng chƣơng trình có cài đặt thuật tốn thủy vân Thủy vân tách đƣợc từ liệu số chứng kết luận liệu số có bị xuyên tạc thông tin hay vi phạm quyền không Thủy vân thuận nghịch sử dụng phƣơng pháp biến đổi trực giao đó, chẳng hạn nhƣ Cosine rời rạc, hay Fourier… để chuyển miền không gian ảnh sang miền tần số Thuỷ vân đƣợc nhúng miền không gian tần số ảnh theo kĩ thuật trải phổ truyền thơng Sau trích rút thơng tin thủy vân vật mang tin (sản phẩm số) đảm bảo đƣợc chất lƣợng gần nhƣ ban đầu Đây kĩ thuật phổ biến với nhiều thuật toán đƣợc hứa hẹn phƣơng pháp tốt giải vấn đề đảm bảo hai thuộc tính quan trọng thuỷ vân sau giấu – tính ẩn tính bền vững Dựa vào ý tƣởng trên, tơi chọn đề tài “Tìm hiểu phƣơng pháp thủy vân số thuận nghịch xây dựng ứng dụng” làm nội dung nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp Mục đích luận văn Mục đích luận văn nghiên cứu hệ thống lý thuyết liên quan đến giấu tin tập trung vào nhánh thứ hai giấu tin thủy vân thuận nghịch phƣơng tiện số Từ đó, xây dựng chƣơng trình thử nghiệm cài đặt số thuật toán thủy vân thuận nghịch ảnh số nhằm ứng dụng xác thực thông tin bảo vệ quyền cho liệu ảnh số Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật thủy vân thuận nghịch ảnh số Chƣơng trình thử nghiệm mà luận văn xây dựng hệ thống nhúng tách thủy vân nhằm xác thực nội dung thông tin bảo quyền ảnh số nhƣng đảm bảo chất lƣợng ảnh số nhƣ ban đầu sau trích thủy vân Phƣơng pháp thực Phƣơng pháp thực đề tài nghiên cứu vấn đề liên quan đến thủy vân số, sau tiến hành xây dựng cài đặt chƣơng trình thử nghiệm Kết đạt đƣợc Luận văn hệ thống lại kiến thức giấu tin thủy vân số, nghiên cứu số thuật tốn thủy vân miền khơng gian miền tần số Đồng thời cài đặt thành cơng thuật tốn thủy vân miền DCT nhằm ứng dụng xác định quyền tác giả Bố cục luận văn Luận văn đƣợc chia làm chƣơng Chương Tổng quan kỹ thuật giấu tin thủy vân số Nội dung chƣơng đƣa kiến thức kỹ thuật giấu tin thủy vân, từ thủy vân nhánh giấu tin So sánh phƣơng pháp thủy vân miền không gian, miền tần số thủy vân thuận nghịch Tuy nhiên, mục đích thủy vân khác hồn tồn so với mục đích giấu tin mật mã hóa Điều đƣợc thể cụ thể phần phân tích hƣớng ứng dụng quan trọng thủy vân đời thƣờng Có nhiều mơi trƣờng đa phƣơng tiện để thực giấu tin có chừng mơi trƣờng để thực thủy vân Chương Thủy vân thuận nghịch ảnh số Chƣơng trình bày số thuật toán thủy vân miền: miền không gian, miền tần số dựa vào biến đổi Cosine rời rạc DCT miền tần số dựa vào biến đổi sóng nhỏ rời rạc DWT Chương Xây dựng chương trình thử nghiệm Phần phân tích thiết kế modul cho hệ thống, cài đặt thuật toán thủy vân thuận nghịch chạy thử nghiệm chƣơng trình Thuật tốn đƣợc lựa chọn cài đặt thuật tốn thủy vân CPT miền khơng gian thuật toán thủy vân dựa vào DCT miền tần số 45 2.4.2 Các thuật toán thủy vân miền DWT 2.4.2.1 Thuật toán DWT-1  Ý tưởng Dựa kỹ thuật biến đổi sóng nhỏ hai tác giả Raval Mehul Rege Priti đề xuất kỹ thuật thủy vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều để phân tích ảnh gốc thành bốn băng LL, HL, LH HH nhúng tín hiệu thủy vân thứ vào băng LL, nhúng thủy vân khác vào băng HH Kết thử nghiệm cho thấy thủy vân bền vững trƣớc số phép xử lý ảnh thơng thƣờng  Q trình nhúng thủy vân Input: - Thủy vân: hai ảnh nhị phân J, K kích thƣớc N x N - Một ảnh chứa I kích thƣớc 4N x 4N Output: Ảnh chứa nhúng thủy vân I’ Cách thực hiện: Sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều mức hai I Nhúng thủy vân J vào băng LL2, nhúng thủy vân K vào băng HH2 công thức: Vi,j’=Vi,j+Wi,j Với Vi,j hệ số tƣơng ứng LL2 HH2;  hệ số tƣơng quan tính ẩn tính bền vững thủy vân Sử dụng phép biến đổi ngƣợc IDWT để tổng hợp lại đƣợc ảnh chứa thủy vân  Quá trình tách thủy vân - Sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều mức hai ảnh gốc I ảnh chứa thủy vân I’ - Từ kết phân tích trên, tính giá trị lệch điểm tƣơng ứng thuộc băng LL2, HH2 ảnh chứa thủy vân ảnh gốc chia cho  để đƣợc bit tƣơng ứng thuộc ảnh thủy vân: Wi,j’= (Vi,j - Vi,j)/  - Kiểm định, đánh giá thủy vân tách đƣợc với thủy vân gốc  Kết 46 Qua thử nghiệm, kỹ thuật thủy vân Raval Mehul va Rege Prit cho kết thủy vân bền vững trƣớc nhóm biến đổi thơng thƣờng ảnh chứa thủy vân Thủy vân nhúng băng LL bền vững trƣớc nhóm phép biến đổi, thủy vân nhúng băng HH lại bền vững trƣớc nhóm biến đổi khác Điều thể hiện, thủy vân đƣợc nhúng băng khác thể tính bền vững khác trƣớc cơng vào hệ thủy vân Nhƣ vậy, sử dụng thủy vân nhúng vào tất cá băng phép phân tích sóng nhỏ để tìm đƣợc bền vững băng trƣớc cơng xây dựng phƣơng pháp nhúng kết hợp vào băng để tìm thủy vân tổng hợp từ băng nhúng Quá trình tách thủy vân đƣợc yêu cầu sử dụng ảnh gốc ảnh chứa thủy vân 2.4.2.2 Thuật toán DWT-2 Ở thuật toán DWT-1 sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ hai chiều để phân tích ảnh gốc thành băng tần khác nhau, nhúng tín hiệu thủy vân vào băng tần Theo cách đó, thủy vân bền vững trƣớc số công nhƣng lại bền vững với nhóm cơng khác Khắc phục yếu điểm trên, thuật toán này, tác giả Peining Tao Ahmet M Eskicioglu nhúng tín hiệu thủy vân vào bốn băng tần phép phân tích sóng nhỏ, băng tần sử dụng hệ số khác  Quá trình nhúng thủy vân: Input: - Ảnh gốc I=(aij, 0i, j2n) - Ảnh thủy vân ảnh nhị phân, W=(wij 0, 1, 0i, jn) Output: Ảnh chứa đƣợc nhúng thủy vân IW Cách thực hiện: - Thực phép biến đổi sóng nhỏ DWT mức để phân tích ảnh gốc I - Sửa miền tần số Vi,j tƣơng ứng với băng LL, HL, LH, HH: - Vwk,ij  Vijk   kWij ; với i,j=1,….,n; k=1, 2, 3, Thực phép biến đổi ngƣợc IDWT băng sửa đổi tƣơng ứng bƣớc thứ để đƣợc ảnh chứa nhúng thủy vân IW 47  Quá trình tách thủy vân: Input: Ảnh chứa nhúng thủy vân, ảnh gốc Output: Thủy vân ảnh nhị phân W* Cách thực hiện: - Thực phép biến đổi sóng nhỏ DWT mức để phân tích ảnh gốc I ảnh nhúng thủy vân (có thể qua xử lý) - Tách thủy vân từ băng LL, HL, LH, HH: Wij*k  (Vw*,kij  Vijk ) /  k ; với i, j=1,…,n; k=1, 2, 3, - Nếu Wij*  0.5 lấy Wij*  ngƣợc lại lấy Wij* =0  Kết quả: Với kỹ thuật nhúng thủy vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ đây, thủy vân sau đƣợc nhúng băng tần thấp bền vững nhóm cơng, thủy vân đƣợc nhúng băng tần cao lại bền vững trƣớc nhóm cơng khác, thủy vân nhúng băng tần bền vững với số công 48 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Phát biểu tốn Nhằm mục đích xác thực chủ sở hữu hình ảnh số hệ thống phân phối sản xuất học liệu điện tử, tránh chép, sửa chữa khơng có đồng ý ngƣời chủ sở hữu, tác giả luận văn xây dựng ứng dụng thủy vân số file hình ảnh số với phƣơng pháp thủy vân thuận nghịch Bên cạnh yêu cầu chứng minh quyền sở hữu, ứng dụng thực cách trích rút thơng tin thủy vân khỏi file hình ảnh để thu đƣợc lại hình ảnh gốc ban đầu 3.2 Phân tích thiết kế hệ thống Bài toán đƣợc giải phƣơng pháp thủy vân số thuận nghịch Quá trình bảo vệ quyền tách thủy vân để thu đƣợc hình ảnh gốc ban đầu đƣợc tiến hành qua bƣớc: + Chủ sở hữu ảnh số gửi thông tin bí mật cho hệ thống để tạo thủy vân yêu cầu hệ thống nhúng thủy vân vào ảnh gốc + Hệ thống thủy vân tiến hành tạo nhúng thủy vân cho chủ sở hữu Sau nhúng thông tin, hệ thống gửi lại chủ sở hữu ảnh gốc ảnh nhúng + Khi có tranh chấp vấn đề quyền, chủ sở hữu ảnh phải cung cấp ảnh có nghi ngờ chép trái phép cho hệ thống thủy vân để xác định nguồn gốc ảnh Hệ thống thủy vân tách thủy vân từ ảnh nghi ngờ Sau đó, so sánh thủy vân nhận đƣợc với thủy vân mà chủ sở hữu cung cấp Nếu hai thủy vân hệ thống trích thủy vân chủ sở hữu cung cấp trùng ngƣời chủ sở hữu tác phẩm, ngƣợc lại chủ sở hữu giả mạo vi phạm chép sản phẩm không hợp pháp sửa đổi sản phẩm gốc thành tác phẩm (nhái sản phẩm) Q trình trích rút thơng tin khơng yêu cầu chủ sở hữu cung cấp ảnh gốc, thêm nữa, sau trích thơng tin ta thu đƣợc ảnh có đặc tính giống nhƣ ảnh gốc 3.2.1 Mơ tả chức hệ thống Dựa đặc tả yêu cầu ngƣời sử dụng nhƣ mục đích thu nhận lại đƣợc ảnh gốc sau trích thơng tin thủy vân, hệ thống đƣợc xây dựng thực chức chính: - Nhận ảnh gốc - Nhúng thơn tin thủy vân vào ảnh 49 - Trích thơng tin thủy vân từ ảnh - Chuyển đổi ảnh thủy vân ảnh gốc Hệ thống đƣợc xây dựng theo mơ hình phân rã chức sau: HỆ THỐNG THỦY VÂN Nhận ảnh gốc Nhúng thủy vân Trích thủy vân Xác thực (kiểm tra) Thu nhận lại ảnh gốc Hình 3.1: Sơ đồ chức hệ thống  Chức nhận ảnh gốc Các điểm ảnh tệp ảnh gốc gồm thành phần màu: G,R B Ứng dụng duyệt qua toàn ảnh gốc để nhận điểm ảnh  Chức nhúng thủy vân Thủy vân chuỗi ký tự/file văn bản: chứa thông tin quyền nhƣ tên tác giả, số chứng minh thƣ, mã số quyền… Khi nhúng, ký tự chuyển thành mã ASCII tƣơng ứng, sau đổi mã thành chuỗi bít để đƣa vào ảnh cần nhúng Nếu so với ảnh đa cấp xám ký tự tƣơng đƣơng với điểm ảnh Nếu so với ảnh 24 bít mầu điểm ảnh tƣơng đƣơng với ký tự Vì thủy vân ký tự lƣợng thơng tin nhúng đƣợc nhiều Thủy vân ảnh: ảnh logo đặc trƣng cho công ty dấu vân tay đặc trƣng cho cá nhân Ảnh thủy vân phải có kích thƣớc nhỏ nhiều so với ảnh gốc Nếu ảnh thủy vân ảnh đen trắng việc tạo thủy vân đơn nhặt điểm ảnh để nhúng vào khối ảnh Nếu ảnh có kích thƣớc MxN chuỗi nhị phân biểu diễn cho ảnh nhị phân cần nhúng có độ dài MxN bít Nếu ảnh thủy vân ảnh đa cấp xám: lấy giá trị điểm ảnh theo cách duyệt ảnh từ xuống dƣới, từ trái qua phải xếp thành chuỗi số biểu diễn cho thủy vân cần nhúng Mỗi số dãy số lại đƣợc chuyển thành dãy bit nhị phân Vậy 50 ảnh có kích thƣớc MxN dãy thủy vân biểu diễn cho ảnh thủy vân có kích thƣớc MxNx8 bits Nếu ảnh thủy vân ảnh 24 bits màu, thành phần mầu R, G, B chiếm byte nhớ Khi có cách tạo thủy vân: + Một tách riêng thành phần màu R, G, B Mỗi thành phần mầu tƣơng đƣơng với ảnh đa cấp xám Vậy ảnh 24 bits màu tƣơng đƣơng với ảnh đa cấp xám + Hai đặt nhóm bytes tƣơng ứng với điểm ảnh ảnh thủy vân liên tiếp để tạo chuỗi nhị phân tƣơng ứng Nhƣ vậy, chuỗi bit tạo có độ dài là: MxNx3x8 Vậy chọn thủy vân ảnh số phải tùy thuộc vào loại ảnh để chọn kích thƣớc thủy vân cho phù hợp lƣợng bits thủy vân nhúng đƣợc có giới hạn tùy thuộc vào thuật tốn Nhƣng nói chung tất thuật tốn khơng thể nhúng đƣợc nhiều thủy vân tác động đến chất lƣợng tác phẩm sau nhúng thủy vân Sau tạo thủy vân chứa thông tin quyền tác giả, hệ thống đƣa thủy vân vào ảnh muốn bảo vệ thuật toán thủy vân DCT-1 (chƣơng 2) Kết ảnh sau nhúng đƣợc lƣu vào file Và file mà chủ sở hữu gửi tham gia vào hệ thống học liệu điện tử  Chức trích thủy vân Từ khối ảnh (16x16) có thủy vân ta lấy đƣợc số bit thủy vân Ghép bít lại với để đƣợc dãy bit Thực cắt đoạn bit dãy bit để thu đƣợc mã ASCII ký tự giá trị mức xám điểm ảnh Với mục đích xác thực thơng tin yêu cầu hệ thống phải thủy vân dễ vỡ Khi việc so sánh thủy vân tách đƣợc từ ảnh nghi ngờ với thủy vấn gốc mà chủ sở hữu có, khơng giống có nghĩa tác phẩm bị sửa chữa thơng tin trái phép, sản phẩm nguyên tác giả Với mục đích bảo vệ quyền yêu cầu hệ thống phải thủy vân bền vững Nghĩa dù sản phẩm có bị sửa chữa theo hình thức (do đối tƣợng nhái lại từ gốc) thủy vân đƣợc bảo vệ Do đó, tác giả trích thủy vân từ nghi ngờ ăn cắp quyền để chứng minh tác phẩm bị chỉnh sửa (bản nhái lại) Tất nhiên, mức độ bền vững thủy vân tùy thuộc vào mức độ công (mức độ chỉnh sửa) Nghĩa là, ảnh bị nghi ngờ qua số phƣơng pháp cơng 51 nhƣng giới hạn chịu đựng hệ thống tách đƣợc thủy vân, vƣợt giới hạn không tách đƣợc Khi phải đánh giá đƣợc tính bền vững thuật tốn qua phép cơng, nghĩa thuật tốn cài đặt hệ thống có chịu đƣợc phép cơng khơng ngƣỡng cịn chịu đựng đƣợc  Chức kiểm tra Kiểm tra tính bền vững thuật tốn thủy vân Với chức ngƣời sử dụng kiểm tra xem thuật tốn chọn chống lại biến đổi công nhƣ: nén, nhiễu, tăng giảm độ sáng từ lựa chọn giải pháp hợp lý cho thuật toán nhúng thủy vân Kẻ vi phạm quyền dùng cơng trái phép để làm biến đổi dấu thủy vân Nếu sau cơng chất lƣợng ảnh thấp, khơng cịn giá trị thƣơng mại thuật tốn thành cơng khía cạnh bền vững  Chức thu nhận lại ảnh gốc Trong q trình trích rút thơng tin thủy vân, hệ thống sửa đổi lại giá trị hệ số DCT tƣơng ứng, tiếp đến sử dụng DCT nghịch để chuyển đổi hệ số từ ảnh thủy vân ảnh gốc Do phép biến đổi DCT thuận nghịch nên ta thu đƣợc giá trị thật ảnh gốc 52 3.2.2 Ứng dụng thử nghiệm a) Chức nhúng thủy vân  Mở ảnh gốc: chọn mục "Open File” để mở file ảnh cần nhúng thủy vân Ảnh gốc bên trái cửa sổ ứng dụng Hình 3.2: Giao diện mở ảnh gốc  Tạo thủy vân: thủy vân chuỗi kỹ tự nhập trực tiếp vào textbox (ô nhập liệu cửa sổ ứng dụng  Nhúng thủy vân: Chọn mục “Run” để bắt đầu trình nhúng Các bƣớc q trình bao gồm:  Nhận khối (16x16) điểm ảnh ảnh gốc lƣu vào mảng tƣơng ứng với thành phần màu G,R B  Chuyển đổi giá trị mảng sang giá trị đa cấp xám ứng với mảng Y,U V  Biến đổi DCT thuận giá trị đa cấp xám mảng Y Sau bƣớc ta có mảng hệ số DCT (mảng Coefficients)  Chuyển đổi chuỗi ký tự thủy vân sang chuỗi bit, ký tự tƣơng ứng bit 53  Sử dụng thuật toán DCT-1 (chƣơng 2) để thay đổi giá trị phần tử mảng Coefficients  Chuyển đổi DCT nghịch để nhận giá trị đa cấp xám Y  Tạo ảnh thủy vân: Sau biến đổi DCT nghịch bƣớc trên, ta đƣa điểm ảnh (đã biến đổi) vào khung ảnh (pictureBox) cửa sổ ứng dụng Ảnh nhúng thủy vân nằm bên phải cửa sổ ứng dụng Bấm “Save” để lƣu lại ảnh nhúng thủy vân Hình 3.3: Giao diện ghi lại ảnh thủy vân  Đánh giá: Vì chƣơng trình xử lý với ảnh 24 bit mầu, nghĩa có thành phần R G B tham gia nhúng thủy vân nên khả “lộ” ảnh thấp Nếu quan sát kỹ kết vùng sáng ảnh có khả nhận đƣợc vài điểm ảnh có thay đổi gam màu tƣơng ứng Để giảm khả bị lộ, tăng kích thƣớc khối Ở dung lƣợng thủy vân cần nhúng khả bị lộ ảnh tỷ lệ nghịch Khi dung lƣợng thông tin nhúng lớn khả bị lộ tăng ngƣợc lại b) Chức tách thủy vân  Mở ảnh thủy vân: chọn mục "Open File” để mở file nhúng thủy vân Ảnh thủy vân bên trái cửa sổ ứng dụng 54 Hình 3.4: Giao diện mở ảnh thủy vân Chọn “Run” để bắt đầu q trình trích thủy vân Các bƣớc trình bao gồm:  Nhận khối (16x16) điểm ảnh ảnh thủy vân lƣu vào mảng tƣơng ứng với thành phần màu G,R B  Chuyển đổi giá trị mảng sang giá trị đa cấp xám ứng với mảng Y,U V  Biến đổi DCT thuận giá trị đa cấp xám mảng Y Sau bƣớc ta có mảng hệ số DCT (mảng Coefficients)  Sử dụng thuật toán DCT-1 (chƣơng 2) để xác định giá trị bit nhúng tƣơng ứng khối Nối bit thành chuỗi bit chuyển đổi sang mã ASCII để nhận đƣợc chuỗi ký tự thủy vân Trong bƣớc ta thay đổi giá trị phần tử mảng Coefficients từ file văn lƣu trình nhúng thủy vân Mục đích thao tác để phục vụ việc chuyển đổi lại ảnh thủy vân trở lại ảnh có tính chất ngun dạng ảnh gốc  Chuyển đổi DCT nghịch để nhận giá trị đa cấp xám Y  Biến đổi ảnh thủy vân nguyên dạng ảnh gốc: Sau biến đổi DCT nghịch bƣớc trên, chọn “Put Pixel” để đƣa điểm ảnh (đã biến đổi) vào khung ảnh (pictureBox) cửa sổ ứng dụng Ảnh nguyên dạng ảnh gốc nằm bên phải cửa sổ ứng dụng Bấm “Save” để lƣu lại ảnh trích thủy vân 55 Hình 3.5: Giao diện ghi ảnh trích thủy vân  Đánh giá: Vì phép biến đổi DCT thuận nghịch nên ta thu đƣợc ảnh cuối có nguyên dạng (thuộc tính điểm ảnh) nhƣ ảnh gốc Thời gian để trích thủy vân phụ thuộc vào thời gian nhận điểm ảnh thời gian biến đổi DCT thuận Nhƣ ảnh thủy vân lớn (về dung lƣợng) thời gian trích thủy vân cao 3.2.3 Đánh giá độ phức tạp công ảnh Độ phức tạp trình nhúng tổng: + Thời gian nhận điểm ảnh biến đổi ảnh đa cấp xám + Thời gian biến đổi DCT thuận nghịch + Thời gian đƣa điểm ảnh vào khung ảnh cửa sổ ứng dụng Bên cạnh đó, độ dài chuỗi thơng tin nhúng làm tăng thời gian thực ứng dụng Cụ thể: chuỗi có độ dài 100 ký tự ứng dụng phải biến đổi DCT thuận DCT nghịch 100 x = 800 lần Ứng dụng chạy thử nghiệm vài phép công: + Tăng/giảm độ tƣơng phản 56 + Làm trơn ảnh (ngƣỡng thấp) + Nén ảnh (ngƣỡng thấp)  Một số hạn chế cần giải quyết: - Các công khác nhƣ: xoay ảnh, tạo nhiễu, cắt ảnh,… chƣơng trình chƣa đảm bảo đƣợc tính bền vững - Tốc độ thực thi cịn chậm - Chƣa ứng dụng với định dạng ảnh khác nhƣ JPG, GIF, PNG, … 57 KẾT LUẬN Vấn đề bảo vệ trí tuệ quyền tác giả xu hƣớng ngày đƣợc quan tâm giới Kỹ thuật thủy vân (watermarking) đƣợc nghiên cứu đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Để watermarking đạt đƣợc tính mạnh chúng nên đƣợc công bố thảo luận rộng rãi Thủy vân số công nghệ phức tạp, để thực có ứng dụng thực tế phải cần có nhiều thời gian nghiên cứu thẩm định Tuy nhiên, công nghệ đƣợc nhà khoa học khẳng định đầy hứa hẹn cho vấn đề bảo mật an tồn thơng tin Thủy vân số thực nhiều mơi trƣờng khác Có nhiều thuật tốn thủy vân, tùy mục đích cụ thể mà ta chọn thuật tốn thủy vân phù hợp Mỗi thuật tốn khác có ƣu điểm nhƣợc điểm riêng thông thƣờng chịu đƣợc số cơng, khơng có thuật tốn bền vững với tất cơng Tính bền vững thủy vân tỷ lệ nghịch với chất lƣợng ảnh sau nhúng  Kết đạt đƣợc: Luận văn trình bày cách có hệ thống kiến thức liên quan đến giấu tin thủy vân số, tập trung nghiên cứu thuật toán thủy vân miền khác ảnh số: miền không gian, miền tần số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc DCT miền tần số dựa vào phép biến đổi sóng nhỏ DWT Xây dựng chƣơng trình thử nghiệm có cài đặt thuật tốn miền không gian miền tần số dựa vào phép biến đổi Cosine rời rạc DCT, chƣơng trình có khả thu nhận lại ảnh có tính chất tƣơng đƣơng ảnh gốc sau trích thủy vân, đánh giá tính bền vững thủy vân qua số phép công đơn giản  Hƣớng phát triển luận văn: Với thủy vân bền vững, chƣơng trình cài đặt thử nghiệm đƣợc thuật toán miền DCT Do cần tiếp tục nghiên cứu cài đặt thêm nhiều thuật toán khác Luận văn thực nhúng thủy vân ẩn liệu ảnh số, kỹ thuật nhúng, trích cịn nhiều hạn chế độ phức tạp Trong tƣơng lai cần tiếp tục xây dựng chƣơng trình nhúng thủy vân nhiều phƣơng tiện khác nhƣ audio, video 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lƣơng Mạnh Bá - TS Nguyễn Thanh Thuỷ - “Nhập môn xử lý ảnh số”(1999) [2] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng (2002), “Một thuật toán thủy vân ảnh miền DCT - An Image Watermarking Algorithm Using DCT Domain”, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ Thông tin, Thái Nguyên, 2931/08/2003, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005, tr 146-151 [3] Lê Tiến Thƣờng, Nguyễn Thanh Tuấn (2004), “Giải pháp hiệu dùng kỹ thuật watermarking cho ứng dụng bảo vệ quyền ảnh số”, Tạp chí khoa học ĐH Bách Khoa TPHCM, tr 5-8 [4] Nguyễn Xuân Huy, Bùi Thị Thúy Hằng (2001), “Một số cải tiến kỹ thuật giấu liệu ảnh”, Kỷ yếu Hội nghị kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Công nghệ thông tin , Hà Nội 24-25/12/2001, tr 553 – 559 [5] Nguyễn Văn Tảo, Bùi Thế Hồng (2007), “Về lƣợc đồ thủy vân dựa phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc ma trận số giả ngẫu nhiên”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, tập 45, số năm 2007, tr 27-34 Tiếng Anh [6] C W Honsinger, P Jones, M Rabbani, J C Stoffel, “Lossless recover y of an original image containing embedded data”, US Patent application, Docket no: 77102/E-D, 2001 [7] Zhicheng Ni, Yun-Qing Shi, Nirwan Ansari, and Wei Su, “Reversible Data Hiding”, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, Vol 16, No.3 (2006) 354 [8] J.H Hwang, J W Kim, J U Choi, “A Reversible Watermarking Based on Histogram Shifting”, IWDW 2006, LNCS 4283 (2006) pp 384-361 [9] I J COX, J KILIAN, T LEIGHTON, AND T SHAMOON, A secure, robust watermark for multimedia, in Proc First Int Workshop on Information Hiding, R Anderson, ed., no 1174 in Lecture Notes in Computer Science, pp 185–206, May/June 1996 [10] Frank Hartung, Martin Kutter, “Multimedia Watermarking Techniques”, Proceedings of The IEEE, Vol 87, No 7, pp 1085 – 1103, July 1999 59 [11] Hsiang-Kuang Pan, Yu-Yuan Chen, and Yu-Chee Tseng, “ A Secure Data Hiding Scheme for Two-Color Images”, in Fifth IEEE Symposium on Computers and Communications, pp 750 – 755, July 2000 [12] I J Cox, F T Leighton, and T Shamoon, “Secure spread spectrum watermarking for multimedia”, in Proceedings of the IEEE ICIP '97, vol 6, pp.16731687, Santa Barbara, California, USA, 1997 [13] Martin Vetterli and Jelena Kovacevic (1995), Wavelets and Subband Coding, Prentice Hall [14] M Wu, E Tang, and B Liu, “Data hiding in digital binary image,” in Proc Of IEEE Int Conf on Multimedia and Expo, New York City, pp 393-396, July 31 to August 2, 2000 [15] Peter H.W.Wong (1998), Data Hiding and Watermarking in JPEG Compressed Domain by DC Coefficient Modification, Hong Kong University of Science and Technology ... trích thủy vân 20 1.2.5 Các hƣớng ứng dụng thủy vân 20 1.3 Phân biệt giấu tin thủy vân 22 CHƢƠNG 2: THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH SỐ 23 2.1 Thủy vân số thuận nghịch. .. giả luận văn xây dựng ứng dụng thủy vân số file hình ảnh số với phƣơng pháp thủy vân thuận nghịch Bên cạnh yêu cầu chứng minh quyền sở hữu, ứng dụng thực cách trích rút thơng tin thủy vân khỏi file... lƣợng  Thủy vân vơ hình hữu hình vật mang cịn giấu tin đƣợc vơ hình 23 CHƢƠNG 2: THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH TRÊN ẢNH SỐ 2.1 Thủy vân số thuận nghịch Thủy vân phƣơng pháp nhúng thơng tin vào tín